Courses

Testplan Module K8: Procesontwerp (201400164)

Module informatie

Docenten

Onderdelen

EC

Louis van der Ham*

Ben Betlem

Project CT (PCT)

7 EC

Nieck Benes

ScheidingsMethoden (SM) met destillatiepracticum

4 EC

Wim Brilman

Inleiding Chemische Reactorkunde (ICR)

4 EC

*: module coördinator en module examinator

Module ingangseisen:

Module K2: Thermodynamica (201300158)

Module beschrijving

Deze module gaat over procesontwerp. Om een proces te kunnen ontwerpen, is kennis over de basisonderdelen (unit operations) van een proces noodzakelijk. De kern van een proces is de reactor. In een reactor wordt de grondstof in het product omgezet met een bepaalde conversie en selectiviteit. Uit de reactor komt naast het gewenste product dus ook grondstoffen, bijproducten en (eventueel) een oplosmiddel. Dit mengsel moet gescheiden worden om het product en de grondstof (voor recycling) in de gewenste zuiverheid te verkrijgen. Deze zuivering zal veelal uit meerdere scheidingsstappen op basis van verschillende technieken bestaan.

De keuze en de volgorde van deze scheidingsstappen heeft grote invloed op de technische en economische haalbaarheid van het proces. De conversie processen die in de reactor optreden, hebben natuurlijk ook invloed op de scheidingsstappen. Als de reactor een ideale conversie en selectiviteit van 100% heeft is de scheiding eenvoudig.

In deze module wordt dan ook uitgebreid ingegaan op (inleiding) chemische reactoren en industriële scheidingsmethoden. In het project kan deze kennis dan direct worden toegepast.

Bij Inleiding Chemische Reactorkunde wordt ingegaan op: Model reactoren (PFR, CSTR, BR),Micro-menging, Parallel / serie reactieschema, beschrijving van de reactiekinetiek, Isotherme en niet-isotherme reactoren en mengsels met constante en veranderende dichtheid. Voor meer informatie wordt verwezen naar de bijlage.

Bij Scheidingsmethoden wordt ingegaan op: destillatie, absorptie/desorptie, extractie, adsorptie, drogen, kristallisatie, sedimentatie, filtratie en membranen. Voor meer inhoudelijke informatie wordt verwezen naar de bijlage. Scheidingsmethoden heeft ook een praktische component waarbij men in groepjes van 4-5 studenten een opdracht aan de destillatiekolom moet uitvoeren en rapporteren. Hiervoor heeft elke groep de kolom 2½ dag beschikbaar.

Het project richt zich op het ontwerpen van bestaande industriële processen (in 2014 was dit het Ethyleen Oxide proces en de Nafthakraker met opwerkingstrein bij Shell Moerdijk). De processelectie wordt gedaan in overleg met een bedrijf waar we aan het eind van de module op bezoek mogen om deze processen te presenteren, te bespreken en te zien. Dit om de eigen inzichten aan de praktijk te toetsen. Een projectgroep bestaat uit 4-5 studenten. Het project wordt afgerond met een rapport en een individueel mondeling.

Bij het project wordt gebruik gemaakt van specifieke kennis vergaard in de vorige kwartielen, zoals

·

informatieverwerven (verschillende modules)

·

(organische) chemie (reactievergelijking, reactiemechanismen etc: module 1 en 5),

·

thermodynamica (berekening van reactiewarmte, evenwichtsconstanten etc: module 2 en 4),

·

opstellen van massa en energiebalansen (module 2),

·

kinetiek & katalyse (mechanisme, reactiesnelheidsbeschrijving etc: module 7),

·

destillatie (module 2),

·

matlab (module 6)

Daarnaast wordt binnen het project uitgebreid aandacht besteed aan: het afschatten van data, verdere verdieping in informatieverwerving, ontwerp van twee geselecteerde procesunits, procesregeling, industriële procesveiligheid (o.a. 2 gastcolleges vanuit AkzoNobel + excursie) en proceseconomie.

Bij de berekeningen wordt gebruik gemaakt van Excel (massa & energie balansen) en Matlab (ontwerp van reactor en destillatiekolom).

Naast de excursie aan het eind is er ook tijdens de module een dagexcursie naar het Veiligheidslab van AkzoNobel te Deventer gepland. Hier worden naast lezingen over verschillende aspecten van industriële veiligheid ook demonstraties gegeven.

Module opbouw (zie kwartielschema)

·

De theorie is verroosterd in de ochtend gedurende de eerste 7 weken van het kwartiel.

·

De werkcolleges worden verzorgd door de docenten met hulp van ervaren PhDs.

·

De middag is gereserveerd voor het project of zelfstudie.

·

Voor Project CT wordt gewerkt in groepjes van 4 studenten, die men zelf mag samenstellen.

·

Week 9 is gereserveerd als projectweek voor Project CT.

·

De excursies staan gepland voor

week 7 (dagexcursie naar AkzoNobel Deventer) en

week 11 (excursie naar het bedrijf met de betreffende processen).

·

De experimentele opdracht aan de destilatiekolom loopt over het gehele kwartiel en kan daarbij samenvallen met colleges.

·

Toetsen (zie ook kwartielschema):

Scheidingsmethoden: deeltoetsen in week 3 en week 8 en herkansing in week

·

10

Inleiding Chemische Reactorkunde (ICR): toets in week 8 en herkansing in week 11

Project CT: deadline tussenrapport eind week 5

deadline eindrapport op maandag in week 10,

groepspresentatie op dinsdag in week 10,

individueel mondeling in wk 11.

 

Studie materiaal

·

Boeken:

o

Industrial Separation Processes by A.B. de Haan and H. Bosch

o

Chemical Engineering Design by G. Towler and R.K. Sinnott (elink via library)

·

Reader: Inleiding Chemische Reactorkunde.

·

Handouts op Blackboard.

Toetsschema

De module wordt afgesloten met een enkel cijfer. De student is alleen dan geslaagd voor de module als dit cijfer voldoet aan ≥ 5.5. Het module cijfer is opgebouwd uit een gewogen gemiddelde van de drie verschillende moduleonderdelen, zoals is aangegeven in onderstaande tabel (Osiris niveau).

Voor Inleiding Chemische Reactorkunde, Scheidingsmethoden en Project CT geldt op Osiris niveau dat de student moet voldoen aan ≥ 5.5. Wanneer niet aan deze minimale eisen is voldaan is de student niet geslaagd voor de module. Binnen de verschillende module onderdelen zullen verschillende toetsmethoden worden aangewend. Ook hier gelden in sommige gevallen minimumeisen waaraan de student moet voldoen om voor de module te slagen. Dit is in onderstaande tabel nader uitgewerkt.

Module-niveau

Osiris-niveau

Onderdeel-niveau

Proces

Ontwerp

Min. cijfer

Onderwerp

Min. cijfer

Weegfactor

onderwerp

testmethode

Min. cijfer

Weeg-factor

K8

Proces Ontwerp

≥ 5.5

Inleiding Chemische Reactorkunde

≥ 5.0 of 5.5

25%

Inl. Chem. Reactk.

eindtoets

≥ 5.0 of 5.53

100%

 

 

 

 

 

 

 

 

Scheidings-methoden

≥ 5.0 of 5.5

25%

Evenwichts-scheidingen

Toets 1

≥ 5.0

30%

Snelheidsgebaseerde scheidingen + filtratie & membranen

Toets 2 (twee onderdelen)

≥ 5.0

25% + 25%

Practicum (destillatie)

opdracht

≥ 5.5

20%

 

 

 

 

Project

Chemische Technologie

≥ 5.5

50%

Project

Rapport

≥ 5.5

70%

Project

Mondeling

≥ 5.5

30%

Minimale eisen module:

·

Inleiding Chemische Reactorkunde ≥ 5.0 of 5.5

·

Scheidingsmethoden ≥ 5.0 of 5.53

·

Project CT ≥ 5.5

Indien aan de minimale eisen wordt voldaan geldt:

Eindcijfer = 0.25 Inl. Chemische Reactorkunde + 0.25 Scheidingsmethoden + 0.50 Project CT

Herkansing:

·

Aanvullingen voor project en practicum

·

Herkansingen van Scheidingsmethoden en Inl. Chemische Reactorkunde in resp. wk 10 en 11.

Kwatielschema (met alleen verroosterde activiteiten; HC/WC, Colstructie etc)


Bijlage: Vakinformatie en Testplan

Inleiding Chemische Reactorkunde (4 EC, Wim Brilman)

Course information

Course Description

The main goal of the course ‘Chemical Reaction Engineering’ is to present a general introduction in the physical and chemical aspects (concepts, models, definitions and solution methods) of chemical reaction engineering for single phase reaction systems.

At the end of the course the student is able to analyze problems, translate the situation into idealized model representations and to solve the problem.

Course Content

The course starts with an introduction to ideal- (or model-) reactors (batch reactor, ideally mixed and plugflow reactor) and their characteristics. Setting up and solving the correct mass and energy balances plays a major role in the dimensioning of chemical reactors and is therefore a basic element of this course. With these balances, the degree of conversion, selectivity and yield for single and multiple reactions in single phase systems are calculated for stationary and instationary operation, for cascades of these modelreactors and for reaction systems of constant- and changing density.

Subsequently the concept of Residence Time Distribution is introduced and used to describe non-ideal, intermediate states of mixing for continuous operated reactors, using both the tanks-in-series model and the plugflow-with-axial-dispersion model. The effects of micromixing (in addition to the macroscopic state of mixing discussed above) is discussed.

The section on single phase reaction systems (and reactors) is concluded by analysing and solving problems related to combined heat effects with chemical reaction systems, especially in view of stable- and unstable operating points.

During the whole course, for actual problem statements (either derived from fundamental problems or practical situations) analyses of the problems will be given, the translation into corresponding problem formulations in line with the concepts and model representations discussed above will be made and solved.

Assessment plan

Learning objectives

After following the course, the student can:

Way of assessment

[eg, exam, assignment, presentation, home work assignments]

Level

[know, understand; apply; Problem solving: analyse, synthesis, evaluate ]

Weighing

[relative weight of the objective]

Define and apply model reactors for single phase reaction systems using self- formulated mass-, mole and energy balances.

For this new model, the student can calculate conversion, selectivity and yield. The reactor performance can be evaluated and compared against alternative designs. The student can evaluate the stability of the operating points.

EXAM

Understand, Apply and Problem Solving

(analysis, synthesis and evaluation)

60%

Given a reaction system and/or reactor configuration, the student can describe the residence time distribution and the earliness of mixing.

The student can use this time distribution and the earliness of mixing to analyze the behavior of the reactor and to predict the reactor performance.

EXAM

Understand, Apply and Problem Solving

(analysis, synthesis and evaluation)

40%

Scheidingsmethoden (4 EC, Nieck Benes)

Vakinformatie

Vakbeschrijving

Dit vak richt zich op het beschrijven en ontwerpen van de belangrijkste industrieel toegepaste scheidingsprocessen. Hoofddoel is het zich eigen maken van de basisprincipes en ontwerpberekeningen die essentieel zijn voor het bepalen van de technische feasibility voor specifieke toepassingen. Derhalve wordt binnen het vak veel aandacht gegeven aan het oefenen en zelfstandig uitvoeren van deze ontwerpberekeningen. Daarnaast worden de belangrijkste toepassingsgebieden en apparaat-uitvoeringsvormen geïllustreerd.

Naast het theorie deel is er ook een praktisch gedeelte waarbij de studenten in groepjes van 4-5 werken aan de destillatiekolom. Hierbij kan men de theorie van destillatie in de praktijk ervaren.

Het vak bouwt voort op de kennis die is opgedaan in: K4 Fysische Chemie en K6 Fysisch Transport.

Vakinhoud

De volgende onderwerpen komen aan bod:

·

Rol van scheidingprocessen in de industrie

·

Evenwicht gebaseerde processen; destillatie, absorptie, strippen, extractie

·

Snelheid gebaseerde processen; adsorptie, ionenwisseling, drogen, kristallisatie

·

Mechanische scheidingstechnieken: vloeistof/vloeistof, vast/vloeistof, gas/vloeistof en gas/vast scheidingen, membraanscheidingen

·

Globale dimensionering van scheidings-apparaten

·

Selectie van scheidingsmethoden

·

Voorbeelden en oefeningen

 

Testplan theorie deel

Leerdoelen

Toetsvorm

[bv tentamen, opdracht, presentatie, huiswerkopdracht]

Niveau

[weten; inzien; toepassen; Probleem oplossen: analyseren; synthetiseren; evalueren]

Weging

[relatieve gewicht van het leerdoel]

Principes van evenwichtsscheidingen en niet evenwichtsscheidingen omschrijven en een aantal betreffende fysische scheidingsprocessen opnoemen.

Tentamen

Weten

10%

De basisprincipes van evenwichtsscheidingen toepassen, zowel grafisch als numeriek, op eenvoudige binaire en ternaire systemen.

Tentamen

Probleem oplossen

30%

Principe van snelheidsgebaseerde scheidingsprocessen uitleggen en bijbehorende vergelijkingen toepassen op eenvoudige systemen.

Tentamen

Weten / Probleem oplossen

30%

Beginsels van mechanische scheidingen uitleggen en berekeningen uitvoeren aan eenvoudige systemen

Tentamen

Weten / Probleem oplossen

30%

 

Testplan praktisch deel

Leerdoelen

Toetsvorm

[bv tentamen, opdracht, presentatie, huiswerkopdracht]

Niveau

[weten; inzien; toepassen; Probleem oplossen: analyseren; synthetiseren; evalueren]

Weging

[relatieve gewicht van het leerdoel]

Onderzoeksvraag stellen, bijbehorend meetplan opzetten en uitvoeren

Opdracht

Analyseren/ synthetiseren

10%

Bedienen van een meetopstelling om relevante meetdata te verkrijgen

Opdracht

Toepassen

35%

Experimentele data kritisch evalueren en interpreteren

Verslag

Analyseren/synthetiseren/evalueren

35%

Communiceren werkzaamheden en bevindingen aan derden

Verslag

Toepassen

20%

Project Chemische Technologie (7 EC, Louis van der Ham & Ben Betlem)

Vakinformatie

Vakbeschrijving

De procesindustrie is voor Nederland een belangrijke industriële bedrijfstak die zich bezighoudt met het veredelen van (natuurlijke) grondstoffen door een doelgerichte aaneenschakeling van mechanische, chemische, fysische en/of biologische bewerkingen (een proces). Dit alles onder de voorwaarden van veilig voor mens en milieu en economisch haalbaar. De procestechnologie is de wetenschap achter het technisch realiseren van deze processen op industriële schaal.

Hiervoor moet men inzicht hebben in de wetenschappelijke basisprincipes zoals de wet van behoud van massa en energie, thermodynamica voor de beschrijving van gas-vloeistof evenwichten en reactie evenwichten etc. Daarnaast zijn ook economische en maatschappelijke aspecten belangrijk.

Project CT integreert dus de kennis opgedaan bij een groot aantal modules zoals procestechnologie, evenwichten, organische chemie, ftv, kinetiek en katalyse. Daarnaast wordt deze kennis ook uitgebreid met (gast)colleges en een vervolg stap in de informatieverwerving. De opgedane kennis wordt toegepast op een industrieel proces in de vorm van een project waarin alle aspecten (zie hieronder) aan de orde komen zodat men een zo goed mogelijk beeld krijgt van dit proces. Daarna volgt een bezoek om dit beeld aan het werkelijke proces te toetsen.

Vakinhoud

De colleges behandelen onderwerpen als massa en energiebalansen, schatten van data, ontwerpen van een reactor, ontwerpen van een destillatiekolom, procesregeling, procesveiligheid en proceseconomie. Tevens wordt verder ingegaan op het systematisch verwerven van informatie en het vastleggen in Endnote.

In de module wordt de opgedane kennis toegepast en geïntegreerd voor het project. Het resultaat wordt gepresenteerd in de vorm van een eindrapport en een presentatie. Het geheel wordt afgerond met een individueel mondeling.

Afronding van het project

Als groep lever je de volgende producten op:

-

stappenplan voor het gebruik van literatuurbronnen

-

tussenverslag 1

-

tussenverslag 2 (go/no go)

-

eindrapportage

-

groepspresentatie voor de medestudenten en bedrijf

Testplan

Leerdoelen

Toetsvorm

[bv tentamen, opdracht, presentatie, huiswerkopdracht]

Niveau

[weten; inzien; toepassen; Probleem oplossen: analyseren; synthetiseren; evalueren]

Weging

[relatieve gewicht van het leerdoel]

Systematisch informatie verwerven (op basis van een stappenplan) en deze kritisch evalueren. De literatuurreferenties in Endnote.

Opdracht

Analyseren, Evalueren

70%

Voorkennis en theorie toepassen en integreren bij het beschrijven van een chemische proces met aandacht voor historische achtergrond, toepassing, chemie, thermodynamica, kinetiek en de beschrijving van het processchema.

Opdracht

Toepassen

Integreren

Het afschatten van ontbrekende fysische en chemische data.

Opdracht

Toepassen

Probleem oplossen

Opstellen van massa en energiebalansen voor het betreffende, vereenvoudigde, proces in Excel met meenemen van recycles.

Opdracht

Toepassen

Probleem oplossen

Ontwerpen van een reactor en een scheidingsapparaat (bij voorkeur een destillatiekolom). Hierbij wordt gebruik gemaakt van Matlab en Excel.

Opdracht

Toepassen

Probleem oplossen

Opstellen van een procesregelschema voor het proces

Opdracht

Toepassen, Evalueren

Economische analyse met investeringsschatting (CAPEX) en operationele kosten (OPEX) voor afschatting van de kost-plus-prijs.

Opdracht

Toepassen, Evalueren

Het benoemen en zo mogelijk kwantificeren van veiligheids- en milieuaspecten van het proces.

Opdracht

Toepassen, Evalueren

schriftelijk bovenstaande informatie over het proces en de ontwerpen beschrijven en verantwoorden

Opdracht

Toepassen, Evalueren

mondeling bovenstaande informatie over het proces en de ontwerpen beschrijven en verantwoorden

Mondeling tentamen

Weten, inzien, Toepassen, evalueren

20%

Houden van een groepspresentatie voor medestudenten en voor bedrijf.

Presentatie

Toepassen

10%